考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制

发布时间：2017-09-15 11:39

  本文关键词：考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂轨迹跟踪控制

  更多相关文章： 空间机械臂 重力影响 铰间间隙 自抗扰控制 轨迹跟踪

【摘要】：随着空间探索的不断深入,人们对空间机械臂精度的要求也越来越高,铰间间隙引起的空间机构动力学非线性特性逐渐成为关注焦点。众所周知,所有航天机构在空间微重力环境下进行在轨服役,但是是在地面重力环境设计和调试的。空间机构由地面到空间,由于间隙的存在使机构动力学模型和运动学模型发生了变化从而导致地面模拟调试好的控制器在空间难以达到期望的控制精度。本文以含铰间间隙的二自由度空间机械臂为研究对象,考虑不同重力环境,通过建立含铰间间隙机构动力学模型,设计间隙补偿控制器,在不同重力环境下都能够使空间机械臂达到理想的轨迹跟踪精度。主要内容如下:首先,分析了不同重力环境下影响间隙形成的主要因素。采用无质量轻杆等效铰间间隙模型,通过分析动力学特性,建立了不同重力环境下含铰间间隙的空间机械臂动力学模型,进行铰间间隙与重力对末端轨迹跟踪控制精度耦合影响的仿真研究。在此基础上,针对间隙等效模型造成的模型不确定性及干扰,设计间隙补偿控制器,并通过仿真验证了间隙补偿控制器的有效性。其次,通过分析不同重力环境下含间隙机构的关节间隙运动特性,采用弹簧阻尼元件等效铰间间隙模型,建立了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型。以二自由度空间机械臂为例,利用牛顿欧拉法推导了重力及重力释放条件下的含间隙动力学解析解,并分离了间隙补偿项。在此基础上,通过轨迹跟踪控制仿真,探究了含间隙机械臂受重力影响的动力学行为差异,同时验证了间隙补偿控制器的有效性。再次,利用动量矩定理研究了在地面装调和空间应用两个阶段的含铰间间隙机构动力学模型。并针对重力环境和铰间间隙的改变导致的地面调试好的控制系统在空间应用时无法达到控制精度这一问题,设计了不依赖控制对象模型的自抗扰控制算法。该算法将机构中重力和铰间间隙的变化作为系统中的干扰,通过利用扩张状态观测器对其进行估计,经过非线性反馈控制进行补偿,提高系统控制精度。
【关键词】：空间机械臂 重力影响 铰间间隙 自抗扰控制 轨迹跟踪
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 多体系统动力学研究现状10-11
• 1.2.2 含铰间隙机构研究现状11-13
• 1.2.3 空间微重力研究现状13-15
• 1.3 本文的主要内容与结构安排15-17
• 第2章 基于轻杆模型的机械臂轨迹跟踪控制17-30
• 2.1 引言17
• 2.2 不同重力环境下铰间间隙等效分析17-19
• 2.3 不同重力环境下铰间间隙对末端轨迹的影响19-20
• 2.3.1 重力环境下铰间间隙对末端轨迹的影响分析19-20
• 2.3.2 微重力环境下铰间间隙对末端轨迹的影响分析20
• 2.4 不同重力环境下二自由度机械臂模型的建立20-24
• 2.4.1 运动学分析建模20-21
• 2.4.2 动力学分析建模21-24
• 2.5 仿真研究24-28
• 2.6 本章小结28-30
• 第3章 基于弹簧阻尼模型的机械臂轨迹跟踪控制30-46
• 3.1 引言30
• 3.2 不同重力环境下铰间间隙等效模型分析30-31
• 3.3 不同重力环境下含铰间间隙空间机械臂分析与建模31-38
• 3.3.1 运动学分析建模31-32
• 3.3.2 动力学分析建模32-38
• 3.4 不同重力环境下间隙补偿控制器设计与稳定性分析38-41
• 3.4.1 PD控制器设计39-40
• 3.4.2 PD控制器鲁棒稳定性分析40-41
• 3.5 仿真研究41-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 基于牛顿欧拉方法的机械臂轨迹跟踪控制46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 铰间间隙等效模型的建立与分析46-48
• 4.2.1 间隙铰数学模型46
• 4.2.2 接触碰撞分析46-48
• 4.3 不同重力环境下含铰间间隙空间机械臂模型的建立48-51
• 4.4 含铰间间隙机械臂系统自抗扰控制器设计51-53
• 4.5 仿真研究53-55
• 4.6 本章小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-63
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果63-64
• 致谢64

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本文编号：856307